KR102611989B1 - Converter having protection device for protecting power semiconductor - Google Patents
Converter having protection device for protecting power semiconductor Download PDFInfo
- Publication number
- KR102611989B1 KR102611989B1 KR1020180075948A KR20180075948A KR102611989B1 KR 102611989 B1 KR102611989 B1 KR 102611989B1 KR 1020180075948 A KR1020180075948 A KR 1020180075948A KR 20180075948 A KR20180075948 A KR 20180075948A KR 102611989 B1 KR102611989 B1 KR 102611989B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- short
- converter
- circuit
- power
- current
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 39
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 24
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 description 12
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
- H02J3/36—Arrangements for transfer of electric power between ac networks via a high-tension dc link
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
- H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/21—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M7/217—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M7/219—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in a bridge configuration
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/60—Arrangements for transfer of electric power between AC networks or generators via a high voltage DC link [HVCD]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Rectifiers (AREA)
Abstract
본 발명은, 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력용 반도체소자 보호회로를 구비한 컨버터에 관한 것이다.
본 발명은, AC 전원(111, 112, 113)과 연결되는 AC 입력단과, DC 전원을 출력하는 DC 출력단과, 복수의 전력용 반도체소자들을 구비하는 컨버터로서, 상기 DC 출력단의 단락시 상기 전력용 반도체소자에 정격 전류보다 작은 전류가 흐르도록 상기 DC 출력단의 단락시 발생되는 단락전류의 일부를 우회시키는 보호회로부(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터를 개시한다.The present invention relates to a converter, and more specifically, to a converter equipped with a power semiconductor device protection circuit.
The present invention is a converter having an AC input terminal connected to an AC power source (111, 112, 113), a DC output terminal that outputs DC power, and a plurality of power semiconductor elements, and when the DC output terminal is short-circuited, the power Disclosed is a converter that includes a protection circuit unit 300 that diverts a portion of the short-circuit current generated when the DC output terminal is short-circuited so that a current smaller than the rated current flows through the semiconductor device.
Description
본 발명은, 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력용 반도체소자 보호회로를 구비한 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to a converter, and more specifically, to a converter equipped with a power semiconductor device protection circuit.
HVDC(High Voltage Direct Current, 초고압 직류 송전) 시스템은 교류 전력을 직류로 변환하여 전력을 효율적이고, 안전하게 송전하는 전력 시스템이다. 오래전부터 송전방식에 있어 직류방식과 교류방식에 대한 많은 논의가 있어 왔지만 최근까지 적합한 전압 크기로의 변환이 손쉽고, 사고 시 사고전류 차단을 통한 전력 시스템의 보호가 비교적 용이하기 때문에 50Hz 또는 60Hz의 주파수를 지닌 교류방식이 주로 사용되고 있다.The HVDC (High Voltage Direct Current) system is a power system that converts alternating current power into direct current and transmits power efficiently and safely. There has been a lot of discussion about direct current and alternating current in power transmission for a long time, but until recently, it was easy to convert to an appropriate voltage size and it was relatively easy to protect the power system by blocking the fault current in the event of an accident, so the frequency of 50Hz or 60Hz was used. The exchange method with is mainly used.
하지만, 최근 교류송전(HVAC) 방식의 기술적 제약인 충전용량으로 인한 지중화 한계거리(20~30㎞)가 존재하고, 전자파 방출로 인한 인체 유해성 및 높은 피크전압으로 인한 대규모 송전탑 문제 등이 부각되면서 직류송전(HVDC) 방식에 대한 관심이 많아지고 있다.However, recently, there is a limit distance for undergrounding (20-30 km) due to charging capacity, which is a technical limitation of the alternating current (HVAC) method, and problems such as harmfulness to the human body due to electromagnetic wave emissions and large-scale transmission tower problems due to high peak voltage have been highlighted. Interest in power transmission (HVDC) is increasing.
HVDC 방식은 기존 HVAC 방식에 비해 장거리 대전력 송전, 손실 감소, 전력 흐름제어가능, 고장파급 방지로 계통신뢰도 향상 등의 장점을 보유하고 있다. 특히, 송전거리에 제한 없이 장거리 지중화가 가능(초고압 대용량(765kV) 송전망 지중화 가능)하며, 가공과 지중이 혼재된 융통성 있는 송전선로 건설이 가능하다.Compared to the existing HVAC method, the HVDC method has advantages such as long-distance large power transmission, loss reduction, power flow control, and improved system reliability by preventing failure propagation. In particular, long-distance underground transmission is possible without restrictions on the transmission distance (ultra-high-voltage, high-capacity (765kV) underground transmission network is possible), and flexible transmission line construction that mixes overhead and underground is possible.
한편 직류송전은 교류손실의 감소로 인해 송전효율이 향상되며, 계통분할이 가능하여 사고 파급의 예방과 단락전류 억제 등의 효과로 계통신뢰도를 향상시킬 수 있다. 또한, 전압과 전류가 일정하므로 이론적으로 전자기장의 영향성 문제가 없으므로 송전선로 건설 시에 발생하는 지역주민과의 갈등을 풀 수 있는 대안이 될 수 있고, 대도심의 용량증설 용도로 활용할 수 있다. 직류는 주파수가 없으므로 이종 주파수 전력망의 연계 문제를 해결할 수 있어 국가 간의 전력계통을 연계하는 Supper-Grid의 수단으로 HVDC 시스템의 수요가 증가할 것으로 예측하고 있다.Meanwhile, direct current transmission improves transmission efficiency by reducing alternating current losses, and enables system division, which improves system reliability through effects such as prevention of accident spread and suppression of short-circuit current. In addition, since the voltage and current are constant, there is theoretically no problem with the influence of electromagnetic fields, so it can be an alternative to resolving conflicts with local residents that arise during the construction of transmission lines, and can be used for capacity expansion in large urban centers. Since direct current has no frequency, it can solve the problem of linking heterogeneous frequency power grids, and it is predicted that the demand for HVDC systems will increase as a Supper-Grid means of linking power systems between countries.
또한 시설 및 비용 측면에서 고압직류(HVDC) 송전방식은 고압교류 송전방식 보다 초기투자비는 크지만, 40km 이상의 해저 지중케이블이 소요되는 경우와 400km 이상의 장거리 송전의 경우에서는 경제적이라는 연구결과가 존재하고 있다. OHL(Over-Head Line) 관점에서 직류 송전방식이 교류 송전방식보다 공간이 적게 소요되며, 비용이 저렴하다는 특징이 있다.In addition, in terms of facilities and costs, the initial investment cost of the high-voltage direct current (HVDC) transmission method is greater than that of the high-voltage alternating current transmission method, but research results show that it is economical in cases where submarine underground cables of more than 40 km are required and in the case of long-distance transmission of more than 400 km. . From an OHL (Over-Head Line) perspective, the direct current transmission method requires less space and is less expensive than the alternating current transmission method.
한편 HVDC 시스템은 크게 전력반도체소자에 따라 전류형(Line Commutated Converter, LCC) HVDC와 전압형(Voltage Source Converter, VSC) HVDC로 나눌 수 있다. 1세대 전력변환 소자로 ‘70년부터 개발·상용화된 싸이리스터(Thyristor) 전력반도체소자를 이용하는 전류형 HVDC의 구성은 컨버터, 평활 리액터, 고조파 필터, 전극, DC선로, AC회로 차단기, 무효전력 공급원으로 구성되며, 컨버터에서 발생하는 고조파 및 흡수되는 무효전력의 공급을 위하여 고조파 필터와 병렬 커패시터 또는 무효전력보상 설비로 구성된다. 또한, 접지를 위한 전극과 AC측 사고 시 건전구간과 사고구간을 구분하기 위한 AC회로차단기로 구성되어 있다Meanwhile, HVDC systems can be largely divided into current type (Line Commutated Converter, LCC) HVDC and voltage type (Voltage Source Converter, VSC) HVDC depending on the power semiconductor device. The composition of current-type HVDC using the thyristor power semiconductor device, which has been developed and commercialized since 1970 as a first-generation power conversion device, consists of a converter, smoothing reactor, harmonic filter, electrode, DC line, AC circuit breaker, and reactive power source. It consists of a harmonic filter and a parallel capacitor or reactive power compensation facility to supply harmonics generated by the converter and reactive power absorbed. In addition, it consists of an electrode for grounding and an AC circuit breaker to distinguish between a healthy section and an accident section in the event of an AC accident.
반면 2세대 반도체인 IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)를 사용하는 전압형 HVDC시스템은 컨버터 스테이션, 변압기, AC 필터, 위상 리액터, 커패시터, DC 차단기, DC 케이블로 구성된다. 2기의 컨버터 스테이션은 IGBT 기반의 전압형 컨버터로 구성되는데, 1기의 컨버터 스테이션은 정류기로 동작하며, 다른 1기는 인버터로 동작한다. 2기의 컨버터 스테이션은 DC 케이블로 연결되어 있으며 서로 독립적으로 제어할 수 있다. On the other hand, a voltage-type HVDC system using IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor), a second-generation semiconductor, consists of a converter station, transformer, AC filter, phase reactor, capacitor, DC breaker, and DC cable. Two converter stations consist of IGBT-based voltage converters. One converter station operates as a rectifier, and the other operates as an inverter. The two converter stations are connected by DC cables and can be controlled independently from each other.
최근에는 HVDC의 지속적인 수요증가로 HVDC Grid 구성에 대한 논의가 활발히 진행되고 있으며, 설치면적, 전압제어 등의 장점 때문에 전압형 HVDC의 수요가 증가되고 있다.Recently, due to the continuous increase in demand for HVDC, discussions on HVDC Grid configuration are actively underway, and the demand for voltage-type HVDC is increasing due to advantages such as installation area and voltage control.
한편 전압형 HVDC시스템에 사용되는 컨버터는, AC전압이 인가되는 입력단 및 DC전압이 출력되는 출력단을 구비한다. Meanwhile, the converter used in the voltage-type HVDC system has an input terminal to which AC voltage is applied and an output terminal to output DC voltage.
그런데 DC 출력단에 DC단락이 발생하는 경우 과전류가 흘러 전력용 반도체소자에 손상을 가하거나 파손될 수 있는바 컨버터는 이를 방지하기 위하여 AC 입력단에 회로 차단기를 구비한다.However, if a DC short circuit occurs at the DC output terminal, overcurrent may flow and damage or destroy the power semiconductor device. To prevent this, the converter is equipped with a circuit breaker at the AC input terminal.
그러나 DC 단락의 감지 및 단락감지에 따른 회로 차단기의 작동될 때까지 일정 시간이 소요되며 회로 차단기의 작동 전에 과전류가 흘러 전력용 반도체소자에 손상을 가하거나 파손될 수 있는 문제점은 여전히 존재한다.However, there is still a problem that it takes a certain amount of time to detect a DC short circuit and to operate the circuit breaker according to the short circuit detection, and that overcurrent may flow before the circuit breaker operates, damaging or destroying the power semiconductor device.
이에 회로 차단기의 작동 전에 과전류가 흘러 전력용 반도체소자에 손상을 가하거나 파손되는 문제점을 해결하기 위하여 특허문헌 1과 같은 방안이 제시되고 있다.Accordingly, a method such as
특허문헌 1에 제시된 DC 단락 보호 방법은, 다음과 같다.The DC short circuit protection method presented in
도 1에 도시된 바와 같이, 전압형 컨버터에 있어서 p, n으로 표현된 DC 출력단의 +와 -사이에 DC 단락이 발생한 경우, AC 전원시스템(7)과 전력용 반도체소자(12) 간에 도면부호 10과 같이 폐회로가 형성되어 단락 전류가 증가하게 된다. As shown in Figure 1, when a DC short circuit occurs between + and - of the DC output terminals expressed as p and n in the voltage type converter, the reference numeral between the
도 1에서 도면부호 6a, 6b, 6c는, 변압기(미도시) 등의 누설 임피던스, AC 전원시스템(7)의 누설 임피던스를 가리킨다. 또한 도 1에서 도면부호 2a, 2b, 2c는, 각 상에 대응되는 페이즈 모듈(phase module)들을 가리킨다. 또한 도 1에서 도면부호 3은, 변압기 및 각 페이즈 모듈들(2a, 2b, 2c)의 접점을 가리킨다.In FIG. 1,
단락 전류가 미리 설정된 전력용 반도체 스위치의 정격을 초과하게 되면 제어가능한 전력용 반도체소자(12)를 모두 오프시키게 된다. 그러나 제어가능한 전력용 반도체소자(12)와 역병렬로 연결된 다이오드(13)를 통해 단락회로가 계속 발생되어 단락전류가 계속 증가된다. When the short-circuit current exceeds the preset rating of the power semiconductor switch, all controllable
이러한 현상은 차단기(8)가 차단 동작을 할 때까지 계속된다. 일반적으로 AC 차단기(8)의 동작속도가 수십 ~ 수백 msec로 느리고 단락전류는 회로 정수에 의해 차단기(8) 동작속도보다 빠르게 증가되므로 역병렬로 연결된 다이오드(13)가 소손되게 된다. 일반적으로 제어가능한 전력용 반도체소자(12)와 역병렬로 연결된 다이오드(13)는 하나의 패키지로 제작되어지기 때문에 전력용 반도체 소자(12,13)가 모두 소손되게 된다.This phenomenon continues until the
차단기(8)가 동작할 때까지 역병렬로 연결된 다이오드(13)를 보호하기 위해 프리휠링 다이오드(20) 또는 싸이리스터(22)를 서브모듈(15)의 아랫단 스위치에 병렬로 연결하여 대전류가 DC 단락시 다이오드(20) 또는 싸이리스터(22)에 흐르도록 하여 전력용 반도체소자(12, 13)를 보호한다. In order to protect the diode (13) connected in anti-parallel until the circuit breaker (8) operates, the freewheeling diode (20) or thyristor (22) is connected in parallel to the lower switch of the submodule (15) so that the large current is DC. In the event of a short circuit, the
한편 도 3은, 각 페이즈 모듈(2a, 2b, 2c)의 일예를 보다 자세히 표현한 도면으로서, 리액터(14)를 순환전류 제어용 뿐만 아니라 단락전류 제한용으로 사용할 수 있다.Meanwhile, FIG. 3 is a diagram illustrating an example of each
그리고 DC 출력단에 설치된 리액터(9)는 단락전류 제한용으로 사용할 수 있으며, 변압기 누설 리액턴스 성분(6a, 6b 6c)도 단락전류 제한용으로 사용할 수 있다.And the reactor (9) installed at the DC output terminal can be used to limit short-circuit current, and the transformer leakage reactance components (6a, 6b and 6c) can also be used to limit short-circuit current.
그러나 특허문헌 1에 도시된 DC 단락 보호 방법은, 다음과 같은 단점을 가진다.However, the DC short circuit protection method shown in
먼저 도 2 및 도3에 도시된 바와 같이, 하프 브릿지 서브모듈(Half bridge) 구조에서만 적용할 수 있으며 다른 전압형 컨버터에는 적용할 수 없는 단점을 가진다. First, as shown in Figures 2 and 3, it has the disadvantage that it can only be applied to a half bridge submodule structure and cannot be applied to other voltage type converters.
또한 도 3에 도시된 바와 같이, 싸이리스터(22)를 사용할 경우 게이트 구동 회로가 필요하며 싸이리스터(22)의 개수 만큼의 구동 회로가 필요한 단점을 가진다.Also, as shown in FIG. 3, when using the
또한 단락시의 단락전류를 제한하기 위해 큰 리액터를 사용하므로, 정상운전시에 단락용 리액터 성분에 의한 손실이 발생하는 단점을 가진다.Additionally, since a large reactor is used to limit the short-circuit current during a short-circuit, it has the disadvantage of causing loss due to the short-circuit reactor component during normal operation.
본 발명의 목적을 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 전력손실 없이 전력용 반도체소자를 DC 단락으로부터 보호할 수 있는 전력용 반도체소자 보호회로를 구비한 컨버터를 제공하는데 있다.In order to solve the above problems, the purpose of the present invention is to provide a converter equipped with a power semiconductor device protection circuit that can protect the power semiconductor device from DC short circuit without power loss.
본 발명은, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명은, AC 전원(111, 112, 113)과 연결되는 AC 입력단과, DC 전원을 출력하는 DC 출력단과, 복수의 전력용 반도체소자들을 구비하는 컨버터로서, 상기 DC 출력단의 단락시 상기 전력용 반도체소자에 정격 전류보다 작은 전류가 흐르도록 상기 DC 출력단의 단락시 발생되는 단락전류의 일부를 우회시키는 보호회로부(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터를 개시한다.The present invention was created to achieve the object of the present invention as described above, and the present invention includes an AC input terminal connected to the AC power source (111, 112, 113), a DC output terminal that outputs DC power, and a plurality of devices. A converter including power semiconductor devices, wherein when the DC output terminal is short-circuited, a
본 발명에 따른 전력용 반도체소자 보호회로를 구비한 컨버터는, DC 출력단의 단락시 전력용 반도체소자에 정격 전류보다 작은 전류가 흐르도록 DC 출력단의 단락시 발생되는 단락전류의 일부를 우회시키는 보호회로부(300)를 포함함으로써 전력손실 없이 전력용 반도체소자를 DC 단락으로부터 보호할 수 있는 이점이 있다.The converter equipped with the power semiconductor device protection circuit according to the present invention includes a protection circuit unit that diverts part of the short-circuit current generated when the DC output terminal is short-circuited so that a current smaller than the rated current flows through the power semiconductor device when the DC output terminal is short-circuited. By including (300), there is an advantage in that the power semiconductor device can be protected from DC short circuit without power loss.
특히 본 발명에 따른 전력용 반도체소자 보호회로를 구비한 컨버터는, 정상작동시에도 전류가 흘러 전력손실이 발생되는 특허문헌 1에 제시된 보호방법에 비하여 DC 단락시에만 전류가 흐르도록 구성함으로써 전력손실을 최소화할 수 있는 이점이 있다.In particular, the converter equipped with the power semiconductor device protection circuit according to the present invention is configured to allow current to flow only during a DC short circuit, compared to the protection method presented in
구체적으로 특허문헌 1의 종래기술에서 서브모듈 안에 있는 보호회로를 도 1 내지 도 3과 같이 상 또는 밸브에 위치되며, 단락전류를 제한하는 리액터에 정상상태에서도 전류가 흐르는 반면 본 발명의 경우 단락시에만 전류가 흐르게 된다.Specifically, in the prior art of
따라서 특허문헌 1의 종래기술은 단락전류를 제한하는 리액터에 정상상태에서도 전류가 흐르는 반면 본 발명은 단락시에만 전류가 흐르므로 무효전력 손실을 줄일 수 있다.Therefore, in the prior art of
또한 특허문헌 1의 종래기술은 서브모듈마다 게이트 구동회로가 필요하나 본 발명은 용량이 큰 싸이리스터를 사용하여 구동회로를 줄일 수 있다.In addition, the prior art in
한편 본 발명에 따라 적용되는 실제 싸이리스터에 걸리는 AC 전압 크기에 맞춰 전압 정격을 선정할 수 있다.Meanwhile, the voltage rating can be selected according to the AC voltage applied to the actual thyristor applied according to the present invention.
도 1은, 종래기술의 일예를 보여주는 개념도이다.
도 2는, 도 1의 회로도에서 페이즈 모듈의 일예를 보여주는 회로도이다.
도 3은, 도 1의 회로도에서 페이즈 모듈의 일예로서, 다수의 서브모듈들이 직렬로 설치된 소위 MMC 모듈을 보여주는 개념도이다.
도 4는, 다이오드가 프리휠링 다이오드와 병렬로 연결된 도 3에 도시된 페이즈 모듈을 구성하는 서브모듈을 보여주는 등가 회로도이다.
도 5는, 싸이리스터가 프리휠링 다이오드와 병렬로 연결된 도 3에 도시된 페이즈 모듈을 구성하는 서브모듈을 보여주는 등가 회로도이다.
도 6a 내지 도 6g는, 본 발명에 따른 전력용 반도체소자 보호회로를 구비한 컨버터의 실시예들을 보여주는 개념도들이다.
도 7a 내지 도 7d는, 도 6a 내지 도 6g에 표시된 기호의 정의를 도시한 개념도이다.
도 8a 및 도 8b는, 도 7a에 도시된 서브모듈(SM1~SM N)의 예들을 보여주는 개념도이다.
도 9는, 도 8a 및 도 8b에 도시된 기호의 정의를 도시한 개념도이다.
도 10은, 도 6a에 도시된 회로도에서 전류의 흐름을 보여주는 개념도이다.1 is a conceptual diagram showing an example of the prior art.
FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of a phase module in the circuit diagram of FIG. 1.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a so-called MMC module in which a plurality of submodules are installed in series as an example of a phase module in the circuit diagram of FIG. 1.
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram showing submodules constituting the phase module shown in FIG. 3 in which a diode is connected in parallel with a freewheeling diode.
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram showing submodules constituting the phase module shown in FIG. 3 in which a thyristor is connected in parallel with a freewheeling diode.
6A to 6G are conceptual diagrams showing embodiments of a converter equipped with a power semiconductor device protection circuit according to the present invention.
FIGS. 7A to 7D are conceptual diagrams showing definitions of symbols shown in FIGS. 6A to 6G.
FIGS. 8A and 8B are conceptual diagrams showing examples of submodules SM1 to SM N shown in FIG. 7A.
FIG. 9 is a conceptual diagram showing definitions of the symbols shown in FIGS. 8A and 8B.
FIG. 10 is a conceptual diagram showing the flow of current in the circuit diagram shown in FIG. 6A.
이하 본 발명에 따른 전력용 반도체소자 보호회로를 구비한 컨버터에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, a converter equipped with a power semiconductor device protection circuit according to the present invention will be described with reference to the attached drawings.
본 발명에 따른 전력용 반도체소자 보호회로를 구비한 컨버터는, 도 6a 내지 도 10에 도시된 바와 같이, AC 전원(111, 112, 113)과 연결되는 AC 입력단과, DC 전원을 출력하는 DC 출력단과, 복수의 전력용 반도체소자들을 구비하는 컨버터로서, DC 출력단의 단락시 전력용 반도체소자에 정격 전류보다 작은 전류가 흐르도록 DC 출력단의 단락시 발생되는 단락전류의 일부를 우회시키는 보호회로부(300)를 포함하는 것을 특징으로 한다.The converter equipped with the power semiconductor device protection circuit according to the present invention, as shown in FIGS. 6A to 10, has an AC input terminal connected to the AC power source (111, 112, 113), and a DC output terminal that outputs DC power. and a converter including a plurality of power semiconductor elements, a protection circuit unit (300) that diverts a portion of the short-circuit current generated when the DC output terminal is short-circuited so that a current smaller than the rated current flows through the power semiconductor device when the DC output terminal is short-circuited. ) is characterized in that it includes.
본 발명에 따른 전력용 반도체소자 보호회로를 구비한 컨버터는, IGBT, IGCT, GTO 등이 사용될 수 있는 전압형 컨버터에 적용될 수 있다.A converter equipped with a power semiconductor device protection circuit according to the present invention can be applied to a voltage type converter in which IGBT, IGCT, GTO, etc. can be used.
상기 보호회로부(300)는, DC 출력단의 단락시 전력용 반도체소자에 정격 전류보다 작은 전류(도 10에서 붉은 색 선)가 흐르도록 DC 출력단의 단락시 발생되는 단락전류의 일부를 우회(도 10에서 푸른 색 선)시키는 구성으로서 컨버터의 회로구성에 따라서 도 6a 내지 도 6f와 같이 다양한 실시예가 가능하다.The
예로서, 상기 보호회로부(300)는, 제어부의 제어 및 미리 설정된 임피던스값을 가지는 하나 이상의 싸이리스터가 사용될 수 있다.As an example, the
특히 상기 보호회로부(300)는, 복수의 싸이리스터들이 직렬로 복수로 설치됨이 바람직하며, 회로구성에 따라서 도 10에 도시된 바와 같이, 순방향 및 역방향이 병렬로 연결된 한 쌍의 싸이리스터 군들이 하나 이상으로 구성될 수 있다.In particular, the
한편 본 발명은, 전압형 컨버터의 DC 양단에 단락이 발생하였을 경우 차단기(131, 132, 133) 동작 전에 증가되는 단락전류로 인해 컨버터를 구성하고 있는 전력용 반도체소자가 소손되는 것을 방지하지 위해 각 상에 도 6a 내지 도 6g와 같이 싸이리스터로 구성되는 보호회로를 사용한다. Meanwhile, the present invention is to prevent the power semiconductor elements constituting the converter from being damaged due to the short-circuit current that increases before the circuit breaker (131, 132, 133) operates when a short circuit occurs at both DC ends of the voltage-type converter. A protection circuit consisting of a thyristor is used as shown in FIGS. 6A to 6G.
도 10에 도시된 바와 같이, 단락발생시 적색의 폐회로 발생되며 단락전류를 감지하여 싸이리스터를 온 시키면 청색의 폐회로가 발생하게 된다. 두 회로에 대한 임피던스를 고려하여 적색회로는 정격전류 이내로 제한하고 그 이외의 전류는 청색의 폐회로를 통해 흐르게 하여 전압형 컨버터를 보호하게 된다.As shown in Figure 10, when a short circuit occurs, a red closed circuit is generated, and when the short circuit current is detected and the thyristor is turned on, a blue closed circuit is generated. Considering the impedance of the two circuits, the red circuit is limited to within the rated current, and other currents flow through the blue closed circuit to protect the voltage converter.
한편 본 발명에 따라 제안된 보호회로는 MMC 구조뿐 아니라 다른 전압형 컨버터에도 사용할 수 있다.Meanwhile, the protection circuit proposed according to the present invention can be used not only in the MMC structure but also in other voltage type converters.
이하 컨버터의 회로구성 및 그에 따른 보호회로부(300)의 조합에 따른 다양한 실시예를 예시한다.Hereinafter, various embodiments according to the circuit configuration of the converter and the combination of the
도 6a는, 본 발명의 제1실시예에 따른 회로도로서 HVDC용 MMC에 적용된 예를 도시한 것이다.Figure 6a is a circuit diagram according to the first embodiment of the present invention and shows an example applied to MMC for HVDC.
도 6b는, 본 발명의 제2실시예에 따른 회로도로서 HVDC용 MMC에 적용된 예를 도시한 것이다.Figure 6b is a circuit diagram according to the second embodiment of the present invention and shows an example applied to MMC for HVDC.
도 6c는, 본 발명의 제3실시예에 따른 회로도로서 HVDC용 MMC에 적용된 예를 도시한 것이다.Figure 6c is a circuit diagram according to the third embodiment of the present invention and shows an example applied to MMC for HVDC.
도 6d는, 본 발명의 제4실시예에 따른 회로도로서 HVDC용 MMC에 적용된 예를 도시한 것이다.Figure 6d is a circuit diagram according to the fourth embodiment of the present invention and shows an example applied to MMC for HVDC.
도 6e는, 본 발명의 제5실시예에 따른 회로도로서 HVDC용 MMC에 적용된 예를 도시한 것이다.Figure 6e is a circuit diagram according to the fifth embodiment of the present invention and shows an example applied to MMC for HVDC.
도 6f는, 본 발명의 제6실시예에 따른 회로도로서 2 레벨 전압형 컨버터에 적용된 예로서 한 쌍의 전력용 반도체소자 사이에 보호회로부가 결선된 예를 도시한 것이다.Figure 6f is a circuit diagram according to the sixth embodiment of the present invention, applied to a two-level voltage type converter, and shows an example in which a protection circuit is connected between a pair of power semiconductor devices.
도 6g는, 본 발명의 제7실시예에 따른 회로도로서 다이오드 클램프드 MMC 중 3레벨의 경우에 적용된 예를 도시한 것이다.Figure 6g is a circuit diagram according to the seventh embodiment of the present invention and shows an example applied to the 3-level case of diode clamped MMC.
한편 도 7a는, 도 6a 내지 도 6e에 도시된 기호 중 710으로 지시된 부분의 예들을 도시한 회로도이다.Meanwhile, FIG. 7A is a circuit diagram showing examples of the portion indicated by 710 among the symbols shown in FIGS. 6A to 6E.
도 7b는, 도 6a 내지 도 6g에 도시된 기호 중 검게 표시된 직사각형의 회로도이다. 참고로 도 7b는 코일로서 선로 등을 등가회로로 표시한 것이다.FIG. 7B is a circuit diagram of the rectangle indicated in black among the symbols shown in FIGS. 6A to 6G. For reference, Figure 7b shows a coil and a line as an equivalent circuit.
도 7c 및 도 7d는, 6a 내지 도 6g에서 본 발명에 따른 보호회로부(300)의 예들을 도시한 것으로서, 타 회로와의 결선위치 및 타 회로의 구조에 따라 다양한 실시예가 가능하다. 한편 도 6b 및 도 6d에서 보호회로부(300) 중 타 회로와 결선되지 않은 부분은 접지를 의미한다.7C and 7D show examples of the
도 9는, 도 8a 및 도 8b에 도시된 기호의 정의를 도시한 개념도로서, 선로의 등가회로로서 코일 및 저항으로 등가회로화 한 것이다.FIG. 9 is a conceptual diagram showing the definitions of the symbols shown in FIGS. 8A and 8B, and is an equivalent circuit of a line made of a coil and a resistance.
이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.Since the above is only a description of some of the preferred embodiments that can be implemented by the present invention, as is well known, the scope of the present invention should not be construed as limited to the above embodiments, and the scope of the present invention described above Both the technical idea and the technical idea underlying it will be said to be included in the scope of the present invention.
Claims (7)
상기 DC 출력단의 단락시 상기 전력용 반도체소자에 정격 전류보다 작은 전류가 흐르도록 상기 DC 출력단의 단락시 발생되는 단락전류의 일부를 우회시키는 보호회로부(300)를 포함하며,
상기 복수의 전력용 반도체소자들을 구비하는 컨버터는, 전압형 컨버터이며,
상기 AC 전원(111, 112, 113)은 3상의 AC전원이며,
상기 AC 입력단은, 상기 AC 전원(111, 112, 113)의 각 상에 대응되어 3개로 구비되며,
상기 컨버터는, 상기 3개의 AC 입력단과 각각 연결되며 상부암 및 하부암으로 이루어진 3개의 레그에 직렬연결된 복수의 서브모듈들을 포함하며,
상기 보호회로부(300)는, 상기 DC 출력단의 단락 시 상기 복수의 서브모듈들을 지나지 않는 폐회로를 형성하도록 상기 3개의 레그에 결선되는 복수의 싸이리스터들을 포함하며,
상기 보호회로부(300)는,
상기 3개의 레그에 각각 결선되는 상기 싸이리스터들 사이가 전기적으로 연결되도록 서로 결선되어, 상기 DC 출력단의 단락 시 복수의 서브모듈들을 지나지 않는 폐회로를 형성하며,
상기 단락전류를 감지하여 상기 싸이리스터를 온 시켜 상기 싸이리스터를 지나는 폐회로를 따라 상기 단락전류의 일부가 흐르도록 하여 상기 DC 출력단의 단락 시 상기 전력용 반도체소자들을 지나는 전류가 정격전류 이내로 제한하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터.A converter having an AC input terminal connected to the AC power source (111, 112, 113), a DC output terminal that outputs DC power, and a plurality of power semiconductor elements,
It includes a protection circuit unit 300 that diverts a portion of the short-circuit current generated when the DC output terminal is short-circuited so that a current smaller than the rated current flows to the power semiconductor device when the DC output terminal is short-circuited,
The converter including the plurality of power semiconductor elements is a voltage type converter,
The AC power (111, 112, 113) is a three-phase AC power,
The AC input terminal is provided in three pieces corresponding to each phase of the AC power source (111, 112, 113),
The converter is each connected to the three AC input terminals and includes a plurality of submodules connected in series to three legs consisting of an upper arm and a lower arm,
The protection circuit unit 300 includes a plurality of thyristors connected to the three legs to form a closed circuit that does not pass through the plurality of submodules when the DC output terminal is short-circuited,
The protection circuit unit 300,
The thyristors connected to each of the three legs are connected to each other electrically to form a closed circuit that does not pass through a plurality of submodules when the DC output terminal is short-circuited,
A control unit that detects the short-circuit current and turns on the thyristor to allow a portion of the short-circuit current to flow along a closed circuit passing through the thyristor, thereby limiting the current passing through the power semiconductor elements to within the rated current when the DC output terminal is short-circuited. A converter comprising:
상기 보호회로부(300)는, 미리 설정된 임피던스값을 가지는 하나 이상의 싸이리스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터.In claim 1,
The protection circuit unit 300 is a converter characterized in that it includes one or more thyristors having a preset impedance value.
상기 보호회로부(300)는, 순방향 및 역방향이 병렬로 연결된 한 쌍의 싸이리스터 군들을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터.In claim 1,
The protection circuit unit 300 is a converter characterized in that it includes one or more pairs of thyristor groups connected in parallel in forward and reverse directions.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020180075948A KR102611989B1 (en) | 2018-06-29 | 2018-06-29 | Converter having protection device for protecting power semiconductor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020180075948A KR102611989B1 (en) | 2018-06-29 | 2018-06-29 | Converter having protection device for protecting power semiconductor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20200002449A KR20200002449A (en) | 2020-01-08 |
KR102611989B1 true KR102611989B1 (en) | 2023-12-07 |
Family
ID=69154621
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020180075948A KR102611989B1 (en) | 2018-06-29 | 2018-06-29 | Converter having protection device for protecting power semiconductor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR102611989B1 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101255959B1 (en) * | 2011-12-28 | 2013-04-23 | 주식회사 효성 | Protection circuit for protecting voltage source converter |
CN106602531A (en) | 2016-10-18 | 2017-04-26 | 华北电力大学 | Bridge arm bypass protection circuit of modularization multi-level converter aiming at direct current short circuit fault |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3001552A1 (en) * | 2014-09-23 | 2016-03-30 | Alstom Technology Ltd | Voltage source converter and control thereof |
-
2018
- 2018-06-29 KR KR1020180075948A patent/KR102611989B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101255959B1 (en) * | 2011-12-28 | 2013-04-23 | 주식회사 효성 | Protection circuit for protecting voltage source converter |
CN106602531A (en) | 2016-10-18 | 2017-04-26 | 华北电力大学 | Bridge arm bypass protection circuit of modularization multi-level converter aiming at direct current short circuit fault |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20200002449A (en) | 2020-01-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR102127036B1 (en) | Direct-current transmission protection apparatus, current converter, and protection method | |
Elserougi et al. | A new protection scheme for HVDC converters against DC-side faults with current suppression capability | |
Ahmed et al. | Efficient modeling of an MMC-based multiterminal DC system employing hybrid HVDC breakers | |
Li et al. | Interlink hybrid DC circuit breaker | |
Liu et al. | Assembly HVDC breaker for HVDC grids with modular multilevel converters | |
RU2748367C1 (en) | Circuit, method and device for in-line input of group of valves of hybrid dc converter | |
RU2683956C1 (en) | Converting device and method for its protection against short circuit | |
US20130271888A1 (en) | Photovoltaic System and Apparatus for Operating a Photovoltaic System | |
US8971070B2 (en) | Interface arrangement between AC and DC systems for reliable opening of the circuit breaker in time | |
US20170033708A1 (en) | Dc side fault isolator for high voltage dc convertors | |
KR101689824B1 (en) | Modular Multilevel Converter and Submodule of the Converter | |
CN211670775U (en) | Multiphase multilevel converter | |
CN105703336A (en) | In-station single-phase grounding fault control protection method for bipolar flexible direct current power transmission system | |
US20190068081A1 (en) | Converter | |
CA2727367A1 (en) | A plant for transmitting electric power | |
Li et al. | Analysis of single-phase-to-ground faults at the valve-side of HB-MMCs in bipolar HVDC systems | |
Liu et al. | Protection of single-phase fault at the transformer valve side of FB-MMC-based bipolar HVdc systems | |
CN111682788A (en) | Current active transfer type MMC power electronic transformer with fault blocking capability | |
WO2018145724A1 (en) | Protective circuit arrangement | |
Elserougi et al. | Bidirectional buck-boost inverter-based HVDC transmission system with AC-side contribution blocking capability during DC-side faults | |
Kim et al. | DC fault protection for modular multilevel converter HVDC using asymmetrical unipolar full-bridge submodule | |
CN109417348B (en) | Protection of semiconductors in power converters | |
Sano et al. | A fault protection method for avoiding overvoltage in symmetrical monopole HVDC systems by half-bridge MMC | |
Sano et al. | An overvoltage-less protection method for pole-to-ground faults in symmetrical monopole HVDC systems by half-bridge MMC | |
CN109075555B (en) | Current limiting device and high voltage direct current device and high voltage power system comprising such a current limiting device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
AMND | Amendment | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
AMND | Amendment | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
AMND | Amendment | ||
X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
GRNT | Written decision to grant |